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Layout Tipps & Tricks - von Entwicklern für Entwickler

In dieser Rubrik finden Sie Hilfestellung und Anregungen, wie Sie Ihr Leiterplattendesign fertigungsgerecht auslegen und spätere erhöhte Handlings- und Produktionskosten bei der Baugruppenproduktion vermeiden können.

Blick über die Schulter eines Hardware Entwicklers bei Ginzinger

Layout Tipps & Tricks

Aufwand und Kosten bei der Produktion von elektronischen Baugruppen ist von der Anzahl und der Komplexität der einzelnen notwendigen Prozessschritte abhängig. Automatisierbare Abläufe sind kostengünstiger als Prozessschritte mit manuellem Eingriff. Sie gewährleisten darüber hinaus gleichbleibende Qualität der produzierten Baugruppen. Bei Entwicklung und Design müssen diese Parameter von Anfang an mitberücksichtigt werden:

  • Einseitig mit SMT-Bauteilen bestückte Baugruppen sind aufgrund der durchgehenden Automatisieriung des Produktionsprozesse am günstigsten zu produzieren.
  • THT-Bauteile sind so weit wie möglich zu vermeiden. Alternativ sollen THR-Bauteile eingesetzt werden, um den Automatisierungsgrad hochzuhalten.
  • Bei beidseitig bestückten Baugruppen sollten der manuelle Manipulationsaufwand zum Wenden der Baugruppen sowie besondere Vorkehrungen zum Fixieren von Bauelementen berücksichtigt werden.

Nutzendesign

Ein Nutzen ist ein Verbund aus mehreren Leiterplatten. Die Leiterplatten werden in der Regel nicht einzeln bestückt, sondern in einem Nutzen. Nach erfolgter Bestückung werden die Leiterplatten vereinzelt, d.h. durch einen Nutzentrenner getrennt. Im Sinne eines optimierten Produktionsprozesses übernimmt Ginzinger electronic systems gerne das Nutzentrennen Ihrer Leiterplatte. Dazu sind ggf. Informationen über geblockte Anschlussbereiche, Stichwort "Cut Outs" und gefräste Kanten, notwendig. Das Anwenderdesign wird nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten optimiert.

Im Zuge des Nutzentrennprozesses erstellt Ginzinger electronic systems auch die Pastenschablone für SMT-Baugruppen.

Nutzentrennung

Die meisten Baugruppen, insbesondere solche mit komplexen Außenkonturen, werden bei Ginzinger electronic systems in gefrästen Rohlingen verarbeitet. Im Vergleich zu geritzten Rohlingen sind Rohlinge mit gefrästen Stegen mechanisch stabiler.Die Durchbiegung beim Löten durch schwere Bauteile oder Schwankungen in der Ritztiefe und die damit verbundenen Defekte werden dadurch reduziert.

Für das Wellenlöten von zuvor geklebten SMT-Bauteilen gibt es drei Einschränkungen:

  • Bauteile mit einer Länge ≤ 1,2 mm (zB Bauteilgröße 0402) können nicht mit der Welle gelötet werden. Sie können nicht mehr mit ausreichender Sicherheit geklebt werden. Die Baugröße 0603 sollte in der Wellenlöttechnik vermieden werden, da die Prozessicherheit geringer ist als bei größeren Bauformen
     
  • Bauteile mit einer Höhe > 2,5 mm können durch den Druck der Welle leicht weggespült werden, bzw. bleiben bei noch größerer Höhe an feststehenden Teilen der Wellenlötanlage hängen. Bei Folienkondensatoren ist deren Wärmeempfindlichkeit zu beachten.
     
  • Keramikkondensatoren über Baugröße 0805 sollten wegen des thermischen Stresses nicht mit der Welle gelötet werden.

Gängige Praxis ist es, SMT-Bauteile in einem eigenen Prozessschritt zu kleben und gemeinsam mit den THT-Bauteilen auf der Lötseite über der Lötwelle zu löten. Dabei ist darauf zu achten, dass die SMT-Bauteile in Richtung der Welle ausgerichtet sind, da ansonsten Lötschatten zu unverlöteten Bauteilen führen. (siehe Abbildung)

Darüber hinaus ist auf mögliche Kurzschlüsse bei querliegenden ICs zu achten. ICs mit 0,8-mm-Raster lassen sich bei wellengerechtem Layout (vorhandene Lötfänger und richtig positionierte Bauteile) noch lötbrückenfrei löten. Lötfänger sind doppelt so lang wie das Pad anzulegen und am Ende rund oder spitz abzuschließen. (siehe SO14 in der Abbildung)

Werden keine bzw. rechteckige Lötfänger verwendet, kann zurückschwappendes Lötzinn zu Lötperlen oder Kurzschlüssen zwischen den Pins führen.

Beim 0,8-mm-Raster liegt ein freier Abstand von etwa 0,4 mm zwischen den benachbarten Pads vor. Die praktische Erreichbarkeit des wellenlöttechnischen Minimums ist u. a. von der lokalen Topologie der Baugruppe und den damit zusammenhängenden Strömungsverhältnissen auf der Baugruppe abhängig. Vor Serienstart sollten Versuche durchgeführt werden. Die praktische löttechnische Grenze für ein lötbrückenfreies Wellenlötergebnis mit Standardanlagen liegt bei einem einheitlichen Mindestabstand von etwa 0,4 mm bis 0,5 mm.

Für die Kalkulation eines Angebots sind Gerberdaten zwingend erforderlich. Der Leiterplattenhersteller benötigt diese zur Angebotslegung. Für die Gewährleistung einer reibungslosen Produktion sollen zusätzlich intelligente CAD-Daten bereitgestellt werden. Alle gängigen Dateiformate wie ODB++ , ASCII-Files oder IPC-2581 werden unterstützt. Nachstehende Informationen definieren die Anforderungen an die Elektronikproduktion bei Ginzinger electronic systems und werden für eine rasche und unkomplizierte Abwicklung benötigt:

Leiterplattendaten:

  • Baugruppenbezeichnung  & Bestückungsart (zB. SMT ein-/zweiseitig; THT)
  • Leiterplattenabmessung     (l x b [mm])
  • Kupferlagen und Dicke      Anzahl/Aufbau
  • Basismaterial und Dicke    FR4/xy mm
  • Farbe Lötstopplack           Standard ist grün
  • Bestückdruck                   Ja/Nein/Farbe
  • Oberfläche                     Chemisch Nickel-Gold; HAL
  • Konturen gefrast               Ja/Nein
  • Impedanzkontrollierte LP    Ja/Nein
  • IPC-A-610-Klasse             2 oder 3
  • Bauteilherstellerfixierte Stückliste
  • Kundenspezifische Bauteile
  • Funktionstest, AOI, Klimatest

Weitere Tests:

  • Prüfprotokoll                           Ja/Nein
  • UL-Kennzeichnung der LP       Ja/Nein
  • Kundenspezifisches Etikett     Ja/Nein

Die Fertigungdaten und Pläne werden idealerweise als ZIP-komprimierte Datei an die Kundenberatung versendet.

Was gehört ins Gerberpaket?

  • Kupferlagen (inkl. Lagenaufbaubeschreibung)
  • Lötstopplack
  • Leiterplattenkontur
  • Bestückplan für SMT, Bestückplan für THT
  • Pastendaten, Bohrdaten
  • Lasermarkierung TOP/BOT

Optional: Bestückungsdruck, BlueMask, Testpunktplan

Textdateien:

Bestückdaten

  • Bauteilreferenz TOP/BOT, X-Koordinaten [mm], Y-Koordinaten [mm], Rotation [°]

Testpunktdaten

  • Netzname bzw. Fanglöcher TOP/BOT, X-Koordinaten [mm], Y-Koordinaten [mm], Testpunktgröße [mm]

Stückliste

  • Bauteilreferenznummer(n) - übereinstimmend mit Bestückplan
  • Beschreibung inkl. Toleranz bzw. Hersteller und Herstellerbezeichnung
  • Bauform
  • Stückzahl pro Baugruppe

HINWEIS: Bevorzugt werden Stücklisten in den Formaten XLS und CSV.

Weitere Daten

Schaltplan als PDF, Prüfanweisung und falls vorhanden die Impedanzberechnung der Leiterplatte.

Beistellmaterial

HINWEIS: Eine Beistellung von Materialien sollte im Idealfall vermieden werden, denn durch nicht optimale Bauteilverpackungen können erhebliche Mehrkosten entstehen.

Das gewünschte Leiterplattenmaterial, der Lötstopplack, sowie das Oberflächen-Finish wird vom Kunden definiert. Am häufigsten werden Oberflächen wie chemisch Zinn, HAL(bleifrei) oder chemisch Nickel/Gold verwendet. Wir geben Ihnen einen Überblick über die gängigsten Materialien und deren Vor- und Nachteile:

Chemisch Zinn
Abscheidung einer chemischen Zinnschicht bis maximal 1,2 µm. Das Minimum liegt bei 0,6 µm.
--> Chemisch Zinn wird von Ginzinger electronic systems empfohlen.

Vorteile:

  • hohe Planarität
  • sehr gute Löteigenschaften
  • guter Korrosionsschutz für darunter liegendes Kupfer
  • gute Einpresseigenschaften

Nachteile:

  • keine metallurgische Bindung an die Kupferschicht
  • eingeengtes Prozessfenster bei Lötprozessen
  • Einsatz von Thioharnstoff (umweltbelastend)
  • eingeschränkte Lagerfähigkeit durch dünne Schichtdicke (< 6 Monate)
  • nur 2-3 Reflow Zyklen

 

HAL (Bleifrei)
HAL (Hot Air Levelling) ist die bewährteste Methode zur Aufbringung von Zinn als Leiterplattenoberfläche. Schichtdicken sind von 1-20 µm, vereinzelt bis 50 µm.

Vorteile:

  • gute Löteigenschaften
  • gute Lagerfähigkeit (mindestens 12 Monate)

Nachteile:

  • eingeschränkte Eignung für Fine Pitch
  • schlechte Planarität
  • Kupfer wird ablegiert
  • thermischer Stress für die Leiterplatte

Anmerkung: Als Pitch bezeichnet man bei elektronischen Bauteilen den mittleren Abstand der Anschlussbeinchen zueinander. Ist dieser Abstand kleiner als 0,5mm, spricht man von Fine Pitch.

 

Chemisch Nickel/Gold
Chemisch Nickel/Gold wird auch als ENIG bezeichnet = Electroless Nickel Immersion Gold. Neben einer vollflächigen Vernickelung/Vergoldung ist bei Einsatz eines geeigneten Lötstopplacksystems auch eine partielle Vernickelung/Vergoldung möglich.

Vorteile:

  • sehr gute Lagerfähigkeit (>12 Monate)
  • hohe Planarität
  • sehr gut für Fine Pitch
  • gute Einpresseigenschaften
  • resistent gegen Umwelteinflüsse

Nachteile:

  • Einschränkungen bei verschiedenen Basismaterialien (zB. PTFE)
  • hohe Prozesstemperaturen (chemisch Nickel ca. 90°C für ca. 20 Minuten)
  • Sprödigkeit der intermetallischen Phase bei kleinem Lötdepot

Beim Layout werden Mindestabstände zwischen den Pads und den Leiterbahnen typischerweise auf Grund der Spannungsfestigkeit festgelegt. Oftmals bleiben die IPC-A-610-Abnahmekriterien unberücksichtigt. Ein Beispiel: Ein Chip-Bauteil der Größe 0805 ist 2,0 x 1,25 mm lang bzw. breit. entsprechend der Klasse 2 wäre ein Überhang des Bauteils von 0,62 mm und bei Klasse 3 von 0,31 mm IPC-konform, sofern der minimale elektrische Isolationsabstand nicht versetzt wird.

Der minimale elektrische Isolationsabstand ist in der Regel in der Fertigung nicht bekannt. Deshalb geht man hier meistens vom halben Abstand (bezogen auf die Außenkante des Pads) zum nächsten Potenzial (Leiterbahn, Pad) aus.

Gebräuchliche Leiterplattenstärken bei Ginzinger electronic systems liegen zwischen 1 und 2 mm. Abweichungen von den gebräuchlichen Leiterplattenstärken sind individuell zu klären.

Die IPC-Klasse einer elektronischen Baugruppe wird durch den Einsatzbereich des Endproduktes bestimmt. In der IPC-A-610 sind folgende Klassen definiert:


Klasse 1 - Allgemeine Elektronikprodukte (General Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen die Hauptanforderung das Funktionieren der fertig bestückten Baugruppe ist.

Klasse 2 - Elektronikprodukte mit höheren Ansprüchen (Dedicated Service Electronic Products)
Hierzu gehören Produkte, bei denen stetige Funktion sowie eine erweiterte Lebensdauer erforderlich sind und ein unterbrechungsfreier Betrieb erwünscht, jedoch nicht kritisch ist. Typischerweise verursacht die Einsatzumgebung im Betrieb keine Ausfälle.

Klasse 3 - Hochleistungselektronik (High Performance Electronic Products)
Hierzu gehören alle Produkte, bei denen eine kontinuierliche, hohe Leistungsfähigkeit oder Leistungsbereitstellung auf Abruf unverzichtbar ist. Ein Funktionsausfall kann nicht toleriert werden. Die Einsatzumgebung der Geräte kann ungewöhnlich rau sein. Die Geräte müssen im Bedarfsfall funktionieren, wie beispielsweise bei lebenserhaltenden oder anderen kritischen Systemen.

HINWEIS: Eine Produktion nach Klasse 1 wird bei Ginzinger electronic systems nicht durchgeführt.

Um eine mechanisch und elektrisch zuverlässige Lötverbindung herstellen zu können, benötigt man Zeit und Temperatur. Löten stellt keine metallurgische Verbindung her wie beim Schweißen, sondern lässt eine Verbindung entstehen, bei der unterschiedliche Legierungen bzw. Metalle ineinander diffundieren. Es entsteht dabei eine intermetallische Phase (IMP). Ziel ist es, die ideale Dicke dieser IMP zu erzielen. Ist sie zu schmal, entsteht eine kalte Lötstelle, ist sie zu dick, wird sie spröde.

Das Layout legt hier speziell bei Wärmebedarf, Anschlussflächen und Wärmeeintrag bzw. Wärmeableitung den Grundstein für die spätere Erreichung einer optimalen Lötstelle. Beim Löten gibt es verschiedene Verfahren, jedoch kommt bei allen maschinellen Lötprozessen ein Stickstofftunnel zum Einsatz, um ein bestmögliches Lötergebnis zu erzielen.

Reflow-Löten
Dieses Verfahren wird verwendet, um SMT-und THR-Bauteile auf der Oberseite (Top) oder Unterseite (Bottom) zu verlöten. Die Lotpaste wird an der Lötstelle mittels Schablonendruckes deponiert. Alle Bauteile werden automatisch vom Bestückungsautomat bestückt und die bestückte Baugruppe über ein Transportsystem in eine Reflow- (oder Dampfphasen-) Lötanlage transportiert.

Wird beidseitig bestückt, ist darauf zu achten, schwere und temperaturempfindliche Bauteile immer auf einer Seite zu platzieren (Elkos, Leuchtdioden, SMC-Dioden, Stecker, etc.). Andernfalls müssen diese Bauteile in einem zusätzlichen Prozessschritt geklebt werden.

Wellenlöten
Beim Wellenlöten wird die bestückte, zu lötende Baugruppe über eine Lötwelle (=turbulentes Bad) aus flüssigem Zinn transportiert. Zuvor wird Flussmittel von unten aufgetragen, welches in der Vorheizphase aktiviert wird. Dadurch werden vorhandene Oxidschichten aufgebrochen und die Baugruppe auf die benötigte Grundtemperatur erwärmt. Im Anschluss erfolgen Löten und Abkühlen der Baugruppe.

Mit dem Wellenlöten werden THT Bauteile auf der TOP- und SMT-Bauteile auf der BOT-Seite verlötet. SMT Bauteile auf der BOT Seite müssen in einem vorgelagertem Prozessschritt zuerst auf die Leiterplatte geklebt werden.

Designparameter beim Löten von SMT-Bauteilen

Die IPC-A-610 Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen beschreiben, wie Lötstellen auszusehen haben. Maximaler Seitenüberhang, Endüberhang, minimale und maximale Länge, Breite und Höhe der Lötstelle, Lotspaltdicke, etc. sind hier angeführt. Die Werte sind aber von Gehäuse zu Gehäuse unterschiedlich. Der Entwickler kann vor allem in puncto Bauteilanschlusstyp, Padgröße, Padabstand und Leiterplattenoberfläche Einfluss auf die Lötstelle nehmen.

Padvorschlägen im Bauteildatenblatt sollte man als Entwickler immer kritisch gegenüberstehen. Tipp: Anschlüsse im Footprint einzeichnen und eine "proportionale Betrachtung" durchführen: Können die Pins auf der Fläche überhaupt verlötet werden? Ist ein zu großer Überstand vom Pad vorhanden? Sind die Pads zu klein?

Auch Berechnungswerkzeuge können hier helfen, wie "Proportional SMD Reference Calculator" vom Fachverband für Design, Leiterplatten- und Elektronikfertigung (FED), "PCB Footprint Expert" oder "Footprint Designer" aus den ECAD-Systemen.
 

Designparameter beim Löten von THT-Bauteilen

Für ein ideales Pad Design bei THT Bauteilen ist als erster Anhaltspunkt das Herstellerdatenblatt zu Rate zu ziehen, worin beschrieben wird, wie der Footprint zu designen ist. Dies ist aber immer kritisch zu hinterfragen, da die vorgeschlagenen Designs nicht immer optimal sind!

Faustformel Paddurchmesser: Pad zu Loch Verhältnis = 1,5 aber Restring min 0,25mm
Faustformel Lochdurchmesser: max. Drahtdurchmesser +0,2 bis 0,6 mm

Die Anbindung von Durchkontaktierungen (auch Vias genannt) an Pads sollte generell über Leiterbahnen erfolgen. Somit können Lötabwanderungen und die daraus entstehende Bildung eines unzureichenden Lötmeniskus vermieden werden. Der Abstand zwischen Via und Pad muss groß genug gewählt werden, um diese durch einen Steg aus Lötstopplack trennen zu können. Der kleinste realisierbare Lötstopplack-Steg variiert je nach Leiterplattenhersteller.

Achtung: Befinden sich Durchkontaktierungen mit anderem Potenzial unter einem Bauteil, besteht das Risiko einer Unterschreitung des minimalen elektrischen Abstandes (Kurzschluss).

HINWEIS: Durchkontaktierungen unter Bauteilen können beim Wellenlötvorgang problematisch sein.

Die Anbindung von Pads an Leiterbahnen soll, sofern elektrisch oder thermisch nicht zwingend notwendig, keinesfalls vollflächig bzw. über breite Leiterbahnen erfolgen.

Dies kann einerseits zu einer "mageren" Lötstelle, andererseits durch verstärkte Wärmeabfuhr (Wärmesenke) zu fehlerhaften Lötstellen (Tombstoning) führen. Kritisch kann dies insbesondere bei BGAs sein, da deren Lötstellen nur durch Röntgenanalysen kontrolliert und festgestellt werden können.

HINWEIS: Je kleiner das Bauteil, umso kritischer sind diese negativen Effekte.

Große Kupferflächen in Leiterplatten führen Wärme ab und können zu einem unzureichenden/ungleichmäßigen Aufschmelzen der Lötpaste, oder zu unzureichendem Durchstieg führen. Dabei wird die Durchkontaktierung nicht vollständig vom Löt gefüllt. Ebenso können große Bauteile überdurchschnittlich viel Wärme abführen und so zu einem unbefriedigenden Lötergebnis führen.

Bei THT- und SMT- Bauteilen mit einem erhöhten Wärmebedarf an einem oder mehreren Anschlüssen kann über ein entsprechendes Design der Leiterplatte der Wärmeeintrag erhöht werden. Gleiches gilt für die Anbringung von Durchkontaktierungen in der unmittelbaren Nähe von Bauteilen. In beiden Fällen ist zu beachten, von welcher Seite der Wärmeeintrag erfolgt. Nicht genutzte Pads sollten auf Innenlagen entfernt werden ("non functional pad removal"). Bei Multilayern sollten Lagen mit großen Kupferflächen möglichst nahe der Oberfläche - auf der der Wärmeeintrag erfolgt - platziert werden.

HINWEIS: Je größer der Abstand zwischen Pad und umgebendem Kupfer, desto besser ist die Wärmefalle.

Eine zusätzliche Möglichkeit stellt die Verwendung unterschiedlicher Pad-Flachen auf der TOP- bzw. BOT-Seite beim Wellenlöten dar. Bei großen Pads ist ein guter Wärmeeintrag bzw. eine gute Wärmeabfuhr zu verzeichnen. Ein gegenteiliger Effekt tritt bei kleineren Pads auf. Durch entsprechende Kombination (großes Pad auf der Lötquellseite, kleines Pad auf der Lötzielseite) kann der Lötdurchstieg verbessert werden.

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